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Negli ultimi anni si sta sviluppando una tendenza, nel settore chirurgico, verso lo sviluppo di tecniche di intervento mini-invasive. In particolare nella chirurgia oftalmica si è diffusa, a partire dal 2002, la Vitrectomia Transcongiuntivale senza Suture (TSV:
Transconjuntival Sutereless Vitrectomy) impiegata nel caso di gravi patologie quali
distacco della retina, miodesopsie, pucker maculare e foro maculare.
In questa tecnica si prevede l’utilizzo di trocar (microcannule) da 25-gauge che svolgono il ruolo di microcanali per l’introduzione della microstrumentazione chirurgica all’interno del bulbo oculare. Il diametro esterno di tali microcannule è pari a 0,5 mm, in modo che le incisioni lasciate sulla sclera siano di dimensioni tali da potersi sigillare senza suture e permettendo tempi rapidi di recupero. Tale tecnica chirurgica presenta però il difetto che, una volta introdotto il trocar nel sito operatorio, la differenza tra la pressione interna all’occhio e quella atmosferica causa la formazione di un drop di vitreo all’interfaccia trocar-ambiente esterno. Ciò pone il chirurgo di fronte alla difficile scelta, al termine dell’intervento, tra la rimozione della parte di vitreo che è emersa dalla microcannula o la sua reimmissione, con rischi di infezione dell’ambiente vitreale. Entrambi i casi possono portare a conseguenze gravi per il paziente quale, ad esempio, il distacco di retina.
L’obiettivo del presente lavoro di tesi, nato dalla collaborazione con la Clinica di Chirurgia Oftalmica dell’Ospedale S. Chiara di Pisa, è sviluppare un trocar oftalmico di nuova generazione in grado di risolvere il problema della formazione di drop all’interfaccia vitreo-sala operatoria, riducendo drasticamente il volume di umor vitreo che normalmente fuoriesce durante la Transconjuntival Sutureless Vitrectomy.
Per raggiungere l’obiettivo fissato, è stato necessario sviluppare una nuova modalità di controllo dell’interfaccia trocar-umor vitreo e trocar-ambiente operatorio.
Il dispositivo realizzato in questo lavoro di tesi cerca di rispecchiare le seguenti specifiche di progetto, dettate dagli specialisti del settore:
- essere realizzato in materiale biocompatibile, possibilmente elastomerico, - resistente all’usura e alla rottura,
- sterilizzabile con le classiche tecniche di sterilizzazione presenti in ambiente clinico, - producibile su larga scala con metodologie fabbricative standard,
116 - facile da utilizzare dall’operatore medico.
Il lavoro è stato articolato nelle seguenti quattro fasi:
1) studio ed analisi della letteratura sulla TSV e sui trocar disponibili attualmente in commercio;
2) progettazione e sviluppo di modelli analitici ed agli elementi finiti, di diverse tipologie di trocar, in modo da valutare la riduzione della portata di umor vitreo in uscita e la resistenza degli stessi, agli sforzi agenti durante l’intervento chirurgico;
3) realizzazione delle tipologie di trocar che in fase modellistica hanno fornito i risultati migliori, utilizzando tecniche di microfabbricazione;
4) convalida sperimentale della rispondenza dei trocar realizzati con i requisti fissati.
La prima fase ha permesso di inquadrare le problematiche connesse alla TSV, tramite un approfondito studio della letteratura scientifica presente ed un confronto continuo e proficuo con esperti del settore oftalmico. Sono stati raccolti inoltre dati sull’anatomia dell’occhio e sulle caratteristiche principali dell’umor vitreo, sulla procedura chirurgica, nonchè sulle dimensioni caratteristiche dei trocar attualmente disponibili in commercio ed utilizzati nella normale pratica clinica.
Una volta acquisite tutte le informazioni necessarie per un’approfondita conoscenza dell’ambiente occhio, si è passati alla fase di modellazione del sistema. Tale fase, spesso trascurata durante lo sviluppo di nuovi sistemi chirurgici, ha il notevole pregio di ridurre i costi di sviluppo, in quanto permette di simulare diverse tipologie e condizioni operatorie, senza dover passare obbligatoriamente alla fase realizzativa e sperimentale, e così valutare l’efficienza dei dispositivi progettati.
Inizialmente è stato sviluppato un modello analitico del sistema trocar attualmente utilizzato nella pratica clinica. Tale analisi ha mostrato una notevole concordanza con i dati ottenuti dall’osservazione sperimentale del sistema.
In base alle conoscenze biomediche acquisite in questi anni di studio, si è pensato di sviluppare un nuovo prototipo di trocar drop-free, ispirato alle valvole cardiache, che sono infatti in grado di aprirsi con minimo sforzo, a seguito di un gradiente pressorio ai loro capi in unica direzione.
Tale idea ha portato allo sviluppo di modelli analitici, considerando il sistema vitreo-trocar dotato di microvalvola monodirezionale, i quali hanno fornito dei risultati convalidanti la proposta progettuale.
117 In base a tali risultati è stata sviluppata una modellistica agli elementi finiti di diverse tipologie di trocar dodati di microvalvole.
Le tipologie analizzate sono suddivisibili in tre classi principali: 1) una di ispirazione prettamente biologica;
2) una basata sul blocco totale del flusso di umor vitreo; 3) una di tipo wearable.
La prima tipologia prevede una microcannula dotata di microvalvola a struttura tricuspide o quadricuspide, singola o doppia. In quest’ultimo caso è stato previsto il loro posizionamento o accoppiato o distanziate tra di loro nel microtubo.
L’analisi di queste tipologie ha evidenziato che i migliori risultati si ottengono nel caso di singola valvola posta in punta alla microcannula, con entrambe le geometrie. Infatti la riduzione di flusso di umor vitreo risulta in entrambi i casi superiore al 90%.
La seconda tipologia prevede sistemi di valvole doppie accoppiate e complementari nella loro geometria tridimensionale, che garantiscono un completo blocco del flusso di umor vitreo, mostrando in un caso particolare anche la facilità di immisione degli strumenti chirurgici senza esercitare sforzi superiori al carico di rottura del materiale del trocar.
La terza tipologia prevede lo sviluppo di sistemi microvalvolati che possano essere applicati ai trocar attualmente disponibili in commercio. L’analisi di questi sistemi ha evidenziato la loro efficacia sia a livello di riduzione del flusso di vitreo in uscita sia a livello strutturale.
In base ai risultati ottenuti in questa fase, si è passati alla realizzazione di alcune tra le tipologie di microvalvole che rispecchiavano i requisiti desiderati. La scelta del materiale è stata dettata sia dalla tipologia di valvola da realizzare che dalla tecnica di microfabbricazione necessaria alla sua realizzazione. Le dimensioni micrometriche del trocar da sviluppare (450 µm di diametro interno per 75 µm di spessore) richiede l’utilizzo di una tecnica con risoluzioni dell’ordine della decina di micrometri. Per tale motivo le microvalvole sono state realizzate tramite la metodologia del micromolding, mentre la microcannula tramite un sistema di deeping utilizzando un capillare in vetro silanizzato. Il materiale prescelto per la fabbricazione del trocar è stato un elastomero biocompatibile, il polidimetilsilossano.
Per la realizzazione delle microvalvole, il protocollo del micromolding è stato opportunamente modificato in modo da ottenere spessori intorno ai 250 µm. Anche i microtubi sono stati realizzati in polidimetilsilossano ed in seguito sono stati assemblati
118 con le microvalvolve tramite una tecnica di micro-incollaggio eseguita sotto microscopio con un sistema di micromanipolazione, usando come collante nanogocce dell’elastomero selezionato. Il dispositivo, pur essendo inizialmente composto da due parti separavate, grazie alle buone proprietà di sealing del polidimetilsilossano, ha permesso di ottenere un sistema unico e compatto.
L’ultima fase di questo lavoro di tesi ha previsto la convalida con test in-vivo condotti su vitreo di coniglio, rispettando le normative vigenti in ambito di sperimentazione animale.
I test hanno permesso di evidenziare che la nuova tipologia di trocar sviluppati, riducono notevolmente o bloccano l’emissione di vitreo sia in seguito alla loro applicazione, ma anche in seguito alla introduzione reiterata degli strumenti chirurgici. Questo conferma la rispondenza con i requisiti di progetto del trocar drop-free sviluppato in questo lavoro di tesi.
Il dispositivo qui realizzato, è semplicemente un prototipo iniziale, che presenta ampi margini di miglioramento, sia per la scelta del materiale che della metodica microfabbricativa e di assemblaggio. Inoltre, le metodiche realizzative qui sviluppate, dovranno essere ottimizzate nell’ottica di una futura industrializzazione e commercializzazione del trocar drop-free. Tuttavia, i buoni risultati ottenuti con questo dispositivo lo pongono all’avanguardia tra i trocar attualmente utilizzati e disponibili in commercio.
